La façon dont l'eau solvate et transporte les protons est une question fondamentale pour les chimistes et les biologistes et elle est vitale pour notre compréhension de processus tels que la photosynthèse et la respiration cellulaire.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Chicago a utilisé la spectroscopie infrarouge 2-D à large bande pour révéler le comportement des protons lorsque des acides comme le HCl se dissocient dans l'eau. Bien que les manuels de chimie générale enseignent généralement que le proton s'associe à l'eau en tant qu'ion hydronium H 3 O+, ils ont découvert que le proton est fortement lié entre deux molécules d'eau et que les structures sont majoritairement asymétriques.

« Nous nous appuyons sur des prédictions faites grâce à la modélisation informatique, y compris le travail de Greg Voth, professeur de chimie à l'Université de Chicago, qui est un leader dans le développement de modèles informatiques pour le transfert de protons dans l'eau pure et les systèmes biologiques, " dit Joseph Fournier, professeur adjoint de chimie à l'Université de Washington à St. Louis et ancien boursier postdoctoral Arnold O. Beckman à l'Université de Chicago. "Toutefois, les défis expérimentaux et techniques rencontrés dans l'étude du proton dans l'eau ont laissé ces modèles non vérifiés. Nous pensons que cette étude offre la vue expérimentale la plus complète sur la nature compliquée de la façon dont l'eau interagit avec les protons."

L'étude a été rendue possible grâce aux avancées dans le domaine de la spectroscopie IR 2D développées dans le groupe d'Andrei Tokmakoff, professeur de chimie à l'Université de Chicago et co-auteur de l'article. L'IR 2-D utilise de courtes impulsions laser infrarouges pour capturer des instantanés des structures des molécules avant qu'elles ne puissent se déplacer. Une fois capable de capturer un instantané, les chercheurs ont découvert qu'il y avait de nombreuses variations structurelles possibles lorsqu'un proton était partagé entre deux molécules d'eau, et que ces structures persistent plus longtemps qu'on ne le pensait auparavant.

"Par exemple, le proton pourrait être au milieu ou un peu asymétrique. Ou les deux molécules d'eau pourraient être à des distances variables l'une de l'autre, " dit Fournier.

Ces données vont maintenant être utilisées pour améliorer les modèles de calcul, qui aidera les chercheurs à déterminer quantitativement la nature de ces distributions structurelles et à comprendre pourquoi ces structures persistent plus longtemps qu'on ne le pensait auparavant. En outre, Le co-auteur et chercheur étudiant diplômé William Carpenter a l'intention d'étudier comment les structures évoluent dans le temps à mesure que le proton se déplace d'une molécule d'eau à l'autre.

Fournier prévoit également d'appliquer la recherche sur le transport de protons aux processus catalytiques.

"Beaucoup de chimistes essaient de développer des catalyseurs qui imitent ce que font les plantes :séparer l'eau pour de nouvelles sources d'énergie propre, " at-il dit. " Les processus catalytiques comme la division de l'eau reposent sur de multiples événements de transfert de protons. Comprendre comment cela fonctionne au niveau moléculaire pourrait nous aider à utiliser l'eau comme carburant."